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Agronomía Tropical

versión impresa ISSN 0002-192X

Agronomía Trop. v.52 n.4 Maracay oct. 2002

 

Arenas de río procesadas como filtros de riesgos localizados

José Alexander Gil1, Luis Khan P.1 y Ana Hernández2

1Profesores. Universidad de Oriente
Núcleo de Monagas. Escuela de Ingeniería Agronómica
Dpto. de Ingeniería Agrícola Campus Los Guaritos
Maturín, estado Monagas. Venezuela

2Ingeniero Agrónomo. En actividad privada

RESUMEN

    Los filtros de arena forman parte del sistema de filtrado de los riegos localizados y sirven para retener partículas orgánicas e inorgánicas, pero su aplicación más importante está dirigida hacia la separación de partículas orgánicas. Tradicionalmente, estos filtros han sido importados, principalmente de Israel y con ellos viene la grava o lecho filtrante. En Venezuela existen varias empresas que producen gravas para filtros. Una se encuentra en el occidente del Lago de Maracaibo, estado Zulia, pero la empresa más importante en este sentido se encuentra ubicada sobre el río Tonoro, en el oeste de Monagas. El objetivo principal de este trabajo fue realizar un estudio en cuanto a la aplicabilidad de estas últimas gravas en filtros para riego por goteo, realizando una calificación de las mismas, basándose en sus propiedades físicas y en su comportamiento hidráulico. De acuerdo con los resultados obtenidos se puede asegurar que las gravas 16-20, 12-18 y 12-16, producidas por la empresa ubicada en Oriente, son técnicamente aptas para ser utilizadas en los filtros de grava de los sistemas de riego por goteo.

Palabras Clave: Arena; filtros; riego por goteo; río Tonoro; Monagas; Venezuela.

SUMMARY

    Sand filters are part of the filtrating system of the localized irrigation systems and they retain organic and inorganic particles, however their main use is in separating organic particles. Traditionally, these filters have been imported, mainly from Israel and they bring along the sand or filtering bed with them. In Venezuela, several companies that produce gravels for filters exist. One of them is in the West of the Lake of Maracaibo, State Zulia, but the most important company is located on Tonoro river, to the West of the State of Monagas. The main objective of this work was to carry out a study to evaluate the applicability of these gravels in filters for trickle irrigation and to grade them as to their qualification based on physical properties and hydraulic behavior. In accordance with the results obtained, gravels 16-20, 12-18 and 12-16 produce by Arenas Procesadas Oriente from Rio Tonoro, can be used in gravel filters for trickle irrigation.

Key Words: Sand; filters; trickle irrigation; Monagas; Venezuela.

RECIBIDO: Julio 07, 2001

INTRODUCCIÓN

    Los sistemas de riego donde mejor se aprovecha el agua y en los que la pérdida de la misma es muy baja, se denominan sistemas de riego localizados. Estos sistemas tienen poco desarrollo en el país, porque la mayoría de los implementos y accesorios son importados y, por esa razón, costosos. Además, el agua que se va a utilizar en el riego es de gran importancia, de su calidad depende el buen funcionamiento de los emisores. Debido a su susceptibilidad a las obturaciones, las aguas consideradas de buena calidad, aún las de consumo animal y humano, pueden aportar elementos orgánicos e inorgánicos capaces de producir una eventual obturación; este problema se acrecienta si son frecuentes las prácticas de fertirrigación, como es lo usual.

    El riesgo de que ocurra alguna obturación siempre estará presente, cualquiera que sea la fuente natural de agua que se vaya a usar. La única forma de prevenir estos riesgos es mediante la utilización de un sistema de filtrado, el cual debe ser diseñado en concordancia con la calidad físico química de las aguas y con las características intrínsecas del emisor.

    Los filtros de arenas constituyen uno de los tipos de filtros que deben formar parte del sistema de filtrado, sobre todo cuando hay presencia de material orgánico (MO) en suspensión. Los filtros de arena consisten generalmente en tanques metálicos (de acero galvanizado, inoxidable o con protección de pintura antioxidante), o de plástico reforzado (poliéster bobinado con fibra de vidrio o poliéster laminado) capaces de resistir las presiones estáticas y dinámicas de la red, llenos de arena o grava tamizada de un determinado tamaño a través de la cual pasa el agua a filtrar (Rodrigo López et al., 1992; Pizarro Cabello, 1990).

    Los filtros de grava son usados principalmente para filtrar grandes cargas de arenas finas y MO. Los filtros de arena son la forma más efectiva para filtrar MO debido a que ellos son capaces de colectar los contaminantes a través de todo el espesor de arena, acumulando grandes cantidades de contaminantes antes de ser necesaria su limpieza (Keller, 1980; Rodrigo López et al., 1992).

    Según Pizarro Cabello (1990) y Rodrigo López et al. (1992) la altura mínima del lecho filtrante debe ser de 40 a 50 cm. Nakayama y Bucks (1986) dicen que el espesor del lecho de grava debe estar entre 15 y 30 cm. Tradicionalmente, los filtros de grava y arenas han venido siendo equipos de importación, principalmente de origen israelita; de tal forma que con ellos viene la grava o lecho filtrante. En Venezuela, existen varias empresas que producen gravas y arenas para filtros. Existe una en el occidente del Lago Maracaibo, estado Zulia, y otra en Lara, pero la empresa más importante en este sentido se encuentra ubicada sobre el río Tonoro, al oeste del estado Monagas.

    Las arenas producidas por la planta del río Tonoro tienen un prestigio a nivel nacional. El material está constituido por cantos rodados, de superficie lisa, con tendencia a la esfericidad, extraído directamente del lecho del río y luego clasificado, su naturaleza es íntegramente silícica con base de cuarzo, lo cual le proporciona una alta resistencia a los agentes químicos. Estas arenas son usadas para filtración de agua potable para uso urbano en todo el país; también como empaque de grava para pozos profundos; así mismo, la empresa petrolera las usa como lecho filtrante en sus distintos procesos de filtración.

    Se piensa que si ellas reúnen la calidad necesaria como para ser usadas en los fines mencionados, es muy factible que se pudieran también utilizar en los sistemas de filtrado requeridos para separar MO en suspensión en riego localizado; sin embargo, no se tiene hasta este momento información sobre su uso en filtros para riego. El objetivo principal del trabajo fue realizar un estudio sobre la aplicabilidad de estas arenas en filtros para riego por goteo y microaspersión, mediante un ensayo para calificarlas con base en sus propiedades físicas y en su comportamiento hidráulico.

MATERIALES Y MÉTODOS

Arenas seleccionadas:

    En este estudio sólo se seleccionaron aquellos tipos de arena que según criterio, eran aparentemente más adecuadas para ser usados como lecho filtrante en riegos localizados.

    Para la conformación de las muestras correspondientes a cada tipo de estas arenas, se tomaron submuestras de forma aleatoria en las diferentes pilas de los galpones de almacenamiento de la empresa Arenas Procesadas Oriente, luego se unieron, esto con el objeto de que la muestra final fuese lo más representativa de cada tipo de arena.

    El Cuadro 1 muestra el diámetro del tamiz por el cual pasan los granos de arena y el que lo retiene durante los procesos de selección en la planta.

    Para la determinación de las propiedades físicas se procedió a la obtención de la curva granulométrica (CG), así como del diámetro efectivo (DE) y del coeficiente de uniformidad (CU).

Cuadro 1. Arenas seleccionadas como posibles lechos filtrantes y los diámetros del tamiz por el que pasa y del tamiz que la retiene


Arena seleccionada

Diámetro (mm)
por el que pasa la arena

Diámetro (mm)
donde es retenida la arena


30-40

0,589

0,419

20-40

0,841

0,419

20-30

0,841

0,589

16-25

1,18

0,710

16-20

1,18

0,841

12-18

1,70

1,00

12-16

1,70

1,18

8-12

2,36

1,70


    La CG se obtuvo a partir de una muestra de 500 g de arena, que se llevó a la estufa durante 4 h a una temperatura de 110 ºC, a fin de eliminar la humedad. A continuación se tamizó de forma sucesiva, haciéndolo pasar por una serie de tamices consecutivos normalizados según la norma ISO. Se pesó la masa retenida en cada tamiz con una balanza de precisión, y a través de estos pesos se obtuvo el correspondiente peso acumulativo que pasaba por cada tamiz. Con los resultados obtenidos se confeccionó la CG de la arena.

    El DE que es el orificio del tamiz que permite el paso del 10% de la arena, correspondió al porcentaje 10 de la curva anterior y determinó, en gran parte, la calidad del filtrado pues el diámetro de poro es, aproximadamente 1/7 del DE (Pizarro Cabello, 1990).

    Se entiende por CU la relación del tamaño de la abertura a través de la cual pasa el 60% de la muestra representativa de arena, dividida por la abertura que deja pasar el 10% de la misma muestra. Un CU cercano al 1,5 se considera bueno para una clase de arena de filtro de riego, para los equipos de filtrado debe ser menor de 1,6 (Rodrigo López, 1992).

Determinación de propiedades hidráulicas

    Con el objetivo de obtener las variaciones en el gradiente hidráulico junto con los cambios en el caudal y la velocidad del fluido a través de un medio poroso, utilizando cargas constantes de agua sobre el lecho filtrante, fue diseñado y fabricado un modelo físico en el Laboratorio de Riego, en el cual se pudieran plantear las condiciones necesarias para calificar hidráulicamente las arenas. Dicho modelo se muestra en las Figuras 1 y 2.

Modelo físico

    Para su construcción se utilizó un tubo de plástico (PCV) de 6'' de diámetro interno y 3 m de longitud, como receptáculo que contendría los diferentes tipos de arena, que funcionarían como lecho filtrante. Se seleccionó el diámetro de 6'' o 15445 cm, debido a que se trata de un diámetro intermedio que no resulta ni demasiado grande, ni muy pequeño, donde el efecto de las paredes era poco apreciable y además resultaba cómodo para su manipulación y operación en el laboratorio.

    Del tubo plástico se cortaron dos secciones, una que iba a ser la parte superior del equipo y la otra para la parte inferior. En ésta sección inferior se instalaron los piezómetros (Figura 3), tres en total, separados uno de otro por 30 cm, para ello se abrieron orificios con un taladro en el tubo de PVC, en cada uno de los cuales se introdujo una conexión de bronce (Figura 4) en forma de codo (con un ángulo de 90º).

Entre la conexión y el tubo se colocaron dos arandelas, una de metal y otra de goma, esta última en contacto con el tubo para evitar pérdidas de agua, asegurando así la conexión en la parte interna del tubo con una tuerca. El otro extremo o salida de la conexión fue colocada de forma que al conectarle una manguera transparente y flexible quedara totalmente vertical hacia arriba. La manguera se introdujo en un tubo de cobre, (Figura 4) de igual diámetro de la manguera, conectado a la salida de la conexión, con un largo de 4,5 cm, lográndose una mayor solidez en el conjunto conexión-manguera.

    El largo de la manguera utilizada en cada uno de los piezómetros fue de 3 m, con el objeto de abarcar todo el conjunto al unir esta sección con la superior. Además se colocaron en la parte de abajo de la sección inferior del tubo, dos pedazos de malla mosquitera metálica (orificio de 2 mm de diámetro) superpuestos uno sobre el otro y sujetados al tubo por una "arandela" plástica fabricada con un trozo del extremo más ancho del tubo de PCV; la arandela fue colocada a presión rodeando al tubo y sujetando al mismo los trozos de malla mosquitera, se verificó si esta última era capaz de soportar cierto peso sin ceder y por último se sellaron todos los bordes para evitar filtraciones. Luego de la malla mosquitera se colocó un embudo del mismo diámetro del tubo de PVC, pegándola al tubo con silicona, asegurándose además con una banda de goma. El extremo inferior del embudo, o el más delgado, fue a su vez conectado a una manguera rígida de ½ pulgada de diámetro (Figura 5).

Llenado del modelo físico

    Para poder llenar el modelo con la cantidad requerida de cada una de las muestras de grava fue necesario colocar primero una capa de grava gruesa en el fondo de la sección inferior del tubo de PVC, más específicamente sobre la malla mosquitera, esto se hizo para evitar pérdidas de material cuando la arena que fuese a actuar como lecho filtrante tuviese un diámetro de partículas menor que el diámetro de las aperturas de la malla mosquitera.

    El espesor de la capa de arena gruesa fue de 10 cm, luego se colocó la arena seleccionada para lecho filtrante. La capa de la grava comenzó 3 cm por debajo del 1er piezómetro y alcanzó hasta el 2do o 3er piezómetro, según la grava. Para las arenas cuyo diámetro de partículas es menor, o sea las más finas, el espesor del lecho filtrante sólo alcanzó al 2do piezómetro, en la medida en que el diámetro de las partículas fue aumentando también lo hizo el espesor de la capa del lecho filtrante, hasta que con la arena más gruesa (Nº 8-12) la altura de la capa del filtrante superó el 3er piezómetro.

    Finalmente, sobre la arena filtrante se colocó una capa de 5 cm de la misma grava gruesa que se colocó al final de la sección inferior del tubo. Esto con el objeto de evitar la dispersión del material filtrante por efecto del agua que se debe agregar para llenar el modelo. Luego de colocar la grava de interés se unieron ambas secciones del tubo, la inferior y la superior, sellándose la unión con silicona. Este procedimiento se repitió con cada una de las arenas seleccionadas.

FIGURA 1. Modelo físico

FIGURA 2. Llenado del modelo físico.

FIGURA 3. Instalación de los piezométros.

FIGURA 4. Detalle de conexiones de los piezómetros

Medición de caudales

    Para cada carga de agua mantenida en forma constante sobre el lecho filtrante se midió el tiempo de llenado de un balón aforado, tomando tres medidas del mismo para poder tener un valor promedio de tiempo de llenado y con este valor hacer los cálculos del caudal utilizado la fórmula:

Q =     

   V    

 (cm3/seg)

t

Donde:

Q: caudal, expresado en cm3/seg [L3/T]
V: volumen del balón aforado (cm3) [L3]
t: tiempo promedio de llenado del balón (segundo) [T]

FIGURA 5.  Soporte del modelo físico.

    En la medida en que el diámetro de las partículas de arena se fue haciendo mayor, disminuyó el tiempo de llenado del balón, por lo que fue necesario utilizar balones aforados de mayor capacidad para lograr mayor precisión en las medidas y en los cálculos (volumen 500, 1000 o 3320 cm3). Con cada medida del tiempo de llenado del balón se tomó el valor de la temperatura del agua dentro del modelo, utilizando el termómetro instalado al inicio de la sección superior del tubo, para así conocer los valores de densidad y viscosidad del fluido en función de esta variable.

Medición de los gradientes hidráulicos

    En este caso se midieron las alturas que alcanzaron las columnas de agua en los piezómetros 1 y 2 (cargas hidráulicas), cada vez que se llenaba el balón aforado (para cada caudal), cuando el diámetro de las partículas era pequeño (arenas finas), se incluía la altura de la columna de agua en el piezómetro 3, cuando el diámetro de las partículas era mayor (arenas gruesas). Cada valor de carga hidráulica fue producto del promedio de tres observaciones en cada piezómetro, para cada caudal estudiado. El gradiente hidráulico fue determinado mediante la fórmula:

i  =    

    AH     

      L

Donde:

i= gradiente hidráulico (adimensional).
AH= diferencia entre la lectura de los piezómetros 1 y 2 o 1 y 3 según el caso en cm.
L= distancia entre los piezómetros considerados en cm.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Propiedades físicas

    En el Cuadro 2 se observa la disposición del peso en gramos de cada una de las arenas seleccionadas, después de pasar por una batería de tamices, colocadas en un orden de mayor a menor de acuerdo con el diámetro de abertura. En ninguno de los casos los tamices que retuvieron a las arenas se correspondieron con los señalados por la empresa productora. Por ejemplo, la arena cuyo índice nominal es 30-40, indica que esta arena debe pasar por el tamiz Nº 30 y ser retenida por el Nº 40. En este caso se aprecia que las porciones de muestra de la arena, comenzaron a ser retenidas a partir del tamiz Nº 20 y terminaron en el tamiz Nº 100. Resultados muy semejantes se obtuvieron con las otras siete muestras de arenas.

CUADRO 2. Disposición proporcional de pesos retenidos en un banco de tamices de los diferentes tipos de arenas basados en una muestra de 500 gramos.


Tamiz

Diámetro
aberturas

Arena
30-40

Arena
20-40

Arena
20-30

Arena
16-25

Arena
16-20

Arena
12-18

Arena
12-16

Arena
8-12


5

4,000

--

--

--

--

--

--

--

0,1

10

2,000

--

--

--

--

--

5,8

49,4

185,2

12

1,700

--

--

--

--

1,5

28,5

122,8

195,5

14

1,400

--

--

--

5,3

9,4

183,5

137,5

85,5

16

1,189

--

--

--

62,1

94,1

196,6

118,1

28,2

20

0,841

9,4

20,0

163,2

368,6

345,7

83,0

71,0

5,0

30

0,589

124,3

89,6

282,3

61,3

47,6

2,3

1,1

--

40

0,419

188,2

130,0

48,8

1,9

1,6

--

--

--

60

0,246

166,5

206,5

5,5

--

--

--

--

--

100

0,150

10,0

51,8

--

--

--

--

--

--

140

0,105

--

1,7

--

--

--

--

--

--

Bandeja

0,0

--

--

--

--

--

--

--

--


Totales

498,4

499,6

499,8

499,4

499,9

499,7

499,9

499,5


    Los valores de DE que están comprendidos en un rango entre 0,23 mm - 1,50 mm (Cuadro 3) y los valores de DE recomendados serían los que van desde el valor 0,47 mm (arena 20-30) hasta 1,50 mm (arena 8-12), lo que equivaldría a una calidad de filtrado comprendida entre 200 y 100 mesh, respectivamente, que son valores recomendados en los sistemas de riego localizados.

    En líneas generales se observa que el diámetro de la arena aumenta en la medida que disminuye el número o índice nominal de la misma (el diámetro de la arena 30-40 es menor que el de la 8-12), excepto en el caso de la arena 20-40, en la cual se observa una disminución en el diámetro medio, resultado contrario al esperado, esto es debido a que dicha muestra de arena se encuentra formada por un material muy heterogéneo (evidenciado por su alto valor de CU).

    Los valores del CE comprendidos entre 1,3 hasta 1,98 son observados en el Cuadro 3. Las arenas 30-40 y 20-40 presentaron valores de CU que están muy por encima del valor recomendado de 1,6; lo que indica que estas arenas son de baja calidad y, para su uso en riego localizado se deberán mejorar los métodos de clasificación. Un CU que está por debajo del límite señalado, indica que la muestra tiene un diámetro uniforme y homogéneo, lo cual se traduce en una buena calidad de filtrado. Desde el punto de vista físico es factible el uso de las arenas comprendidas entre los números 20-30 y 8-12, como lecho filtrante de los sistemas de riego localizados.

CUADRO 3. Diámetros medios y coeficiente de uniformidad de las arenas seleccionadas.


Arena Nº

30-40

20-40

20-30

16-25

26-20

12-18

12-16

8-12


DE (mm)

0,26

0,23

0,47

0,75

0,75

1,06

1,14

1,50

CU

1,85

1,98

1,41

1,36

1,3

1,37

1,52

1,36


DE: Diámetro efectivo; CU: Coeficiente de uniformidad.

    Los valores de CU, juntos con las CG, obtenidas al graficar los diámetros de la abertura de los tamices en el eje horizontal y los porcentajes de peso retenidos acumulativamente en el eje vertical, permiten seleccionar mejor una grava que va a ser utilizada en filtros de riego por goteo.

    Dichas CG se encuentran representadas desde las Figuras 6 a la 13. En las Figuras 6, 7, 8, 12 y 13 se presentan CG suaves y tendidas, esto indica que las muestras de grava tienen grandes variaciones en el tamaño de los granos que la forman, en este caso se habla de que es un material bien grabado, pero no uniforme; mientras que las otras CG, sobre todo en la presentada en la Figura 10 se observa que tienen una forma más empinada o inclinada, forma que en algunos casos puede llegar a ser vertical, esto indica que los granos son casi todos del mismo tamaño, o que la muestra es uniforme y su gradación es mala.

FIGURA 6. Curva granulométrica de la arena 30-40

FIGURA 7. Curva granulométrica de la arena 20-40

FIGURA 8. Curva granulométrica de la arena 20-30

FIGURA 9. Curva granulométrica de la arena 16-25

FIGURA 10. Curva granulométrica de la arena 16-20

FIGURA 11. Curva granulométrica de la arena 12-18

FIGURA 12. Curva granulométrica de la arena 12-16

FIGURA 13. Curva granulométrica de la arena 8-12

Propiedades hidráulicas

Caudales medidos y gradientes hidráulicos

    Los valores de caudales y gradientes hidráulicos medidos en el modelo físico, utilizando 7 cargas hidráulicas (H) sobre el lecho de grava, junto con la temperatura que tenía el agua dentro del modelo, se observan en el Cuadro 4, correspondiendo cada una de estos valores a las diferentes arenas bajo estudio. En el cuadro se aprecia que los valores del caudal medido en la salida del modelo aumentan en la medida en que lo hace la H y con el aumento del tamaño de la grava.

Caudales por metro cuadrado de arena de filtro 

    Los máximos valores de caudal, estimados para cada arena fueron divididos entre el área transversal del filtro para así determinar el caudal que era manejado por cada metro cuadrado de filtro. Estos valores se observan en el Cuadro 5, es necesario mencionar que la mayoría de los filtros trabajan con un caudal de 50 a 70 m3 h-1 por m2 de lecho, valores menores a 50 m3 h-1 por m2 indican un filtro subdimensionado, mientras que valores mayores indican un filtro sobredimensionado que colapsaría en cualquier momento (Rodrigo López, 1990). Desde este punto de vista se recomienda el uso de las arenas 12-18, 12-16 y 8-12.

CUADRO 4. Caudales medidos y cargas hidráulicas obtenidas con cada una de las arenas estudiadas con el modelo físico.


H (cm)

Caudales (m3 h-1)


grava
30-40

grava
20-40

grava
20-30

grava
16-25

grava
16-20

grava
12-18

grava
12-16

grava
8-12


100

0,0332

0,0867

0,2645

0,4161

0,4275

0,5399

0,6886

0,6219

120

0,0413

0,1134

0,2954

0,4413

0,4565

0,5778

0,7394

0,6703

140

0,0493

0,1401

0,3263

0,4664

0,4854

0,6158

0,7901

0,7188

160

0,0574

0,1668

0,3571

0,4916

0,5143

0,6538

0,8409

0,7672

180

0,0654

0,1935

0,3880

0,5168

0,5433

0,6918

0,8917

0,8157

200

0,0735

0,2202

0,4189

0,5419

0,5722

0,7298

0,9425

0,8664

220

0,0815

0,2469

0,4498

0,5671

0,6011

0,7678

0,9933

0,9126

240

0,0896

0,2736

0,4806

0,5923

0,6301

0,8058

1,0440

0,9611

260

0,0976

0,3003

0,5115

0,6174

0,6590

0,8438

1,0948

1,0095

280

0,1057

0,3270

0,5424

0,6426

0,6879

0,8818

1,1456

1,0580


CUADRO 5. Caudales máximos manejados por metro cuadrado de lecho filtrante basados en los valores de caudales uniformizados por regresión lineal entre el caudal y la carga.


Grava

Caudal manejado por área (m3 h-1 por m2)


30-40

5,64

20-40

17,46

20-30

28,95

16-25

34,30

16-20

36,72

12-18

47,06

12-16

61,15

8-12

56,47


CONCLUSIONES

  • Las arenas 12-18, 12-16 y 8-12 de la fuente estudiada son factibles de utilizar como lecho filtrante en los sistemas de riego localizado.

  • Los más altos caudales medidos, y por ende, las más altas velocidades de fluido, fueron obtenidos con la arena número 12-16.

  • Las arenas óptimas, dado su caudal manejado por área de filtro fueron las números 12-16 y 8-12.

  • Las arenas más uniformes resultaron la 16-25 y la 30-40. La arena con más baja uniformidad fue la 20-40.

BIBLIOGRAFÍA

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